JP2569230B2 - 多周波パッチアンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にマイクロストリッ
プパッチアンテナおよびこのようなアンテナのアレイ、
特に任意の数の周波数における電磁パワーの放射の供給
構造を具備した１つ以上のパッチ放射器を有するパッチ
アンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層形態で１つ以上の金属の導電シート
を持つ誘電基体を含む回路板は、アンテナ、フィルタ、
位相シフタおよびその他の信号処理素子の放射器のよう
なマイクロ波素子および回路を構成するために使用され
る。回路板の異なる構造が利用でき、回路板の３つの共
通して使用される形態はストリップライン、マイクロス
トリップおよび同一平面導波体である。ここで特に重要
なのは、マイクロストリップを使用する積層アンテナ構
造である。マイクロストリップ構造は、導電材料の２つ
のシートだけが存在し、その２つのシートが単一の誘電
基体によって間隔を隔てられている点で比較的簡単であ
る。シートの１つは接地平面として機能し、トランスバ
ース電磁（ＴＥＭ）波を支持する他方のシートと共同す
るストリップ導体を提供するようにエッチング処理され
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マイクロストリップ素
子の積層構造は、共通基体上におけるアンテナ装置およ
びアンテナ装置のアレイの製造を容易にする。マイクロ
ストリップの比較的簡単な構造は、特にアレイアンテナ
における放射器の励振のための電子素子の種々の物理的
形状との相互接続を可能にする。これは回路板上の素子
の配列に大きいフレキシビリティを与える。

【０００４】金属のシートが誘電層の間に設けられる
か、或はそこに埋設された積層構造は、フォトリソグラ
フ技術を使用することができて製造が容易であるために
有効である。金属素子の特定された形状はフォトリソグ
ラフによって得られる。この構造形態は単一のアンテナ
またはアレイアンテナにおけるアンテナ素子として使用
するためにマイクロストリップ放射器構造の製造を有効
に行うために使用されることができる。アンテナはレー
ダまたは通信のために使用されてもよい。高い出力パワ
ーが要求される直線偏波アンテナが好ましいが、特に通
信信号の送信器と受信器との間において変化している方
位を調整する車両通信状況においては円偏波された放射
が好ましい。さらに、周波数帯域が分離されるか、或は
広帯域適用のために隣接させられる二重または多周波数
能力を有していることが望ましい。

【０００５】直線および円偏波された放射の場合、上記
の構造特性を含むアンテナ装置は二重または多周波数動
作に利用できないという問題が生じる。このようなアン
テナ装置または放射器のアレイの構造は製造面およびに
レーダおよび通信の有効性において有効である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】積層形態の本発明による
接地平面素子と両側に設けられたパッチ放射器およびマ
イクロストリップ供給素子の供給構造を具備したマイク
ロストリップパッチアンテナ装置によって上記の問題は
克服され、別の利点が提供される。１つ以上のスロット
は接地平面素子を通ってマイクロストリップ供給素子か
ら放射器に電磁パワーを結合するために使用される。放
射器および供給素子は誘電材料の層によって接地平面素
子から間隔を隔てられている。本発明の異なる実施例が
与えられており、その相違は放射器の数、放射器の形状
および接地平面素子中に設けられたスロットの数であ
る。

【０００７】単一スロットまたは１対の直交して位置さ
れたスロットが使用されてもよく、単一スロットは放射
器からの直線偏波される放射を活性化するために供給素
子と放射器のエッジとの間に設けられる。90°ハイブリ
ッドで接続された１対の直交して位置されたスロットは
特定の周波数または周波数帯域で放射器から円偏波され
た放射を発生するために使用されてもよい。単一放射器
または誘電材料によって間隔を隔てられた放射器のスタ
ックが使用されてもよい。放射器のスタックの場合にお
いて、放射器のディメンションおよび放射器と接地平面
素子との間の誘電層全体の厚さは共に放射器の動作共振
周波数を決定する。

【０００８】例示すると、方形放射器のスタックは接地
平面素子において直交して位置された供給素子、および
供給素子からのマイクロ波パワーを放射器に結合する１
対の直交して配置されたスロットと共に使用されてもよ
い。供給素子と外部信号源との間にハイブリッド結合器
を設けることによって、２つの供給素子は個々のスタッ
クされた各放射器から円偏波された放射を生成する。マ
イクロ波パワーは、供給素子によって供給された信号の
周波数でまたはその周波数帯域内で共振する放射器だけ
に結合される。異なる周波数の信号の合計を適用するこ
とによって、複数の放射器は同時に放射させられること
ができる。

【０００９】別の実施例では、放射器は正方形ではなく
長方形にされることができる。長方形に成形された放射
器は、対応的に短いおよび長い波長を有する放射を生成
する短い側縁および長い側縁を有する。放射器の側縁の
長さは誘電材料中を伝播する電磁波の波長の１／２に等
しい。放射器の一側に設けられた第１のスロットによっ
て生成された１つの電界のゼロは、２つの異なる周波数
におけるマイクロ波パワーの独立した結合を可能にする
ようにスロットの第２のものと一致した放射器の第２の
側上に配置される。放射器のスタックの場合、特定の信
号周波数で共振する放射器だけがアクチブであり、別の
放射器は不活性であり、アクチブな放射器の放射に対し
て本質的に透過的に動作する。単一スロットおよび単一
供給素子は直線偏波される放射に対して使用されること
ができる。

【００１０】

【実施例】図１乃至図６は、複数の周波数でそれぞれ動
作することができ、図８に示されたアレイアンテナの構
造において使用されることができるマイクロストリップ
整合アンテナの種々の実施例を示す。本発明の各実施例
において、放射器はアレイアンテナの構造に都合良く配
列された誘電層によって接地から間隔を隔てられてお
り、接地平面素子が複数のアンテナ素子における共通接
地として成形されている。

【００１１】スタックに配列され、誘電層によって間隔
を隔てられた複数の放射素子を使用する本発明の実施例
に関して、これらのアンテナはそれぞれアレイアンテナ
におけるアンテナ素子としての使用に適しており、種々
の誘電層が各アンテナ素子を通って横断方向に延在し、
個々のレベルのアンテナ素子のスタックされた放射器が
誘電体の隣接した層の間に埋設されている。以下、各ア
ンテナの実施例をさらに詳細に説明する。

【００１２】図１および図２を参照すると、本発明の第
１の実施例にしたがって構成されたアンテナ20が示さ
れ、アンテナ20は接地平面素子22、接地平面素子22に平
行に配置された平坦な金属シート形態の放射器24、接地
平面素子22に平行に配置され、放射器24の反対の側に設
けられたマイクロストリップ供給素子26、接地平面素子
22と供給素子26との間に隣接して配置された適切な誘電
材料の第１の誘電層28、および接地平面素子22と放射器
24との間に隣接して配置された適切な誘電材料の第２の
誘電層30を具備している。放射器24は長方形であり、２
つの対向した長い側縁32および34および放射器24の４つ
の隅40を形成するために長い側縁32と34と結合する２つ
の対向した短い側縁36と38によって境界を定められてい
る。

【００１３】アンテナ20から放射される電磁パワーは供
給素子26によってアンテナ20に供給され、その中に形成
された接地平面素子22を完全に通過する２つのスロット
44および46を含むスロット装置42を介して供給素子26か
ら放射器24に結合される。２つのスロット44および46は
互いに垂直に配向され、相互間の電磁信号の結合を阻止
するために互いに間隔を隔てられている。スロット44お
よび46はそれぞれ放射器24の長い側縁32および短い側縁
36に対して垂直である。スロット44は主に放射器24の下
方に配置され、端部が放射器24の周縁を越えて延在す
る。“下方”という用語は図１および図２に示されたア
ンテナ20の図を参照して使用され、実際に垂直、横方向
それ以外の任意の使用に便利な方位に取付けられるアン
テナ20の実際の方向についてを述べているものではな
い。長い側縁32を越えて延在するスロット44の端部部分
はスロット44の全長のほぼ１／３乃至１／４である。同
様に、スロット46は放射器24の主として下方に設けら
れ、スロット46の端部が放射器24の周囲を越えて延在す
る。放射器24の短い側縁36を越えて延在するスロット46
の端部はスロット46の全長のほぼ１／３乃至１／４であ
る。

【００１４】供給素子26は、細長い形状をそれぞれ有す
る２つの導電マイクロストリップ供給素子48および50を
含み、供給素子48および50はそれぞれスロット44および
46まで延びそれらを少し越えて延在する。各供給素子48
および50の端部はそれぞれスロット44および46の下方に
垂直に配置されたスタブの形態である。供給素子48およ
び50およびスロット44および46のこの配置により、供給
素子に沿って進むトランスバース電磁（ＴＥＭ）波は対
応したスロットにおいて電界を誘導し、電界はスロット
の縦方向に対して横断方向に延在する。さらに、各スロ
ット中の電界は放射器24に対して上方に放射器24の共振
周波数で放射し、供給素子から放射器にマイクロ波パワ
ーを結合する。したがって、実質的なパワー量は放射器
24の共振周波数を中心とする周波数帯域で供給素子から
そのスロットを介して放射器24に結合されることがで
き、共振周波数帯域の外側の周波数で供給素子から放射
器に結合されるパワーは実質的に存在しない。

【００１５】本発明の特徴によると、放射器24は２つの
異なる周波数で共振する。共振周波数は放射器24の構造
および第２の誘電層30の厚さおよび誘電定数に依存して
いる。放射器24は、長い側縁および短い側縁の両者を有
する長方形の金属シートとして構成されているため、長
居側32および34は比較的長い波長の共振周波数で放射を
供給し、短い側縁36および38は比較的短い波長の共振周
波数で放射を供給する。放射器24が方形である場合、た
だ１つの共振周波数における放射が利用可能である。し
かしながら、長い側縁と短い側縁との間の長さの差が比
較的短くても、２つの異なる共振周波数が利用可能であ
る。２つの共振周波数を中心とする放射の周波数帯域が
重なると仮定すると、正方形構造ではなく長方形構造を
使用した結果、放射が得られることができる周波数の帯
域が広がる。比較的大きい長さの差が長い側縁32，34と
短い側縁36，38との間に与えられた場合、放射の２つの
分離した周波数帯域がアンテナ20によって与えられる。
分離した周波数帯域で放射される信号は供給素子48およ
び50の一方によってそれぞれ分離して与えられる。

【００１６】以降、図７を参照して異なる周波数帯域に
おける放射の電磁フィールドの発達に関してさらに説明
する。図７の説明は図１乃至図６に示された本発明の実
施例全てに適用可能である。さらに、ビームを放射する
ために供給素子によってアンテナを励起することに関し
て説明が与えられている一方、図１乃至図６の各実施例
のアンテナは可逆的に動作し、受信ビームによって受信
された放射は供給素子において出力信号を生成する。し
たがって、本発明を説明する便宜上、放射の出て行くビ
ームの発生に関して説明駿河、それは同様に放射の入来
ビームの受信の説明にも適用される。

【００１７】図３および図４を参照すると、本発明の第
２の実施例であるアンテナ52が示されている。アンテナ
52は図１および図２のアンテナ20と同様に構成されてい
るが、別の放射器および修正された構造の供給素子を含
む。図３および図４に示されるように、アンテナ52はそ
れぞれが薄い金属シートから構成されている平坦な接地
平面素子54および複数の放射器を具備した放射器装置56
を含む。２つ、３つまたはそれ以上の放射器が装置56に
含まれている。例えば、図では放射器装置56は３つの放
射器、すなわち全て平坦な接地平面素子54に平行に方向
付けされている第１の放射器58、第２の放射器60および
第３の放射器62を有している。

【００１８】アンテナ52はさらに２つのマイクロストリ
ップ供給素子66および68、並びに供給素子66および68を
結合するハイブリッド結合器70を含む供給素子64を具備
している。供給素子64は、平坦な接地平面素子54から間
隔を隔てられて平行な平面に位置している。アンテナ52
はさらに平坦な接地平面素子54および供給素子56の間に
隣接して配置された第１の誘電層72を含む。第１、第２
および第３の放射器58、60および62は相互におよび平坦
な接地平面素子54から間隔を隔てられている。アンテナ
52は、それぞれ平坦な接地平面素子54と第１の放射器5
8、第１の放射器58と第２の放射器60、および第２の放
射器60と第３の放射器62との間に隣接して配置された第
２の誘電層74、第３の誘電層76および第４の誘電層78を
具備している。各誘電層72、74、76および78において使
用される材料は適切な誘電定数を有し、適切な電気絶縁
を行うように選択される。これらの層の各々の厚さは所
望のインピーダンスおよび所望の放射特性を与えるよう
に選択される。

【００１９】各放射器58，60および62は正方形構造を持
つ。供給素子64から放射器58，60および62への電磁パワ
ーの結合は平坦な接地平面素子54内に形成された開口ま
たはスロット装置80によって行われる。スロット装置80
は、供給素子66および68とそれぞれ一致して配置された
１対の結合スロット82および84を含む。スロット82およ
び84は互いに間隔を隔てられ、供給素子66および68から
放射器装置56に電磁信号を直交して結合させるように互
いに垂直に方位付けられている。装置56の放射器の寸法
はほぼ同じ周波数で共振するようにほぼ等しく、各放射
器の共振周波数は装置56からの放射の広く拡大された帯
域幅を生成するように互いに異なり、放射の帯域幅は単
一の放射器から得られるものよりも大きい。

【００２０】装置56の３つの放射器の寸法が全て等しい
ならば、各放射器と平坦な接地平面素子54との間の間隔
量が放射器のディメンションのように放射器の共振周波
数に影響を与えるために放射の各周波数に差が生じる。
所望ならば、放射器装置56の構造において第２、第３お
よび第４の誘電層74、76および78の厚さを変化させる
か、或は放射器58、60および62の所望の共振周波数を選
択し、放射インピーダンスおよび帯域幅を選択する便宜
上等しくすることができる。さらに、放射器58、60およ
び62の物理的寸法は所望の共振周波数を容易に得られる
ように選択される。典型的に、第１の放射器58は最小の
ディメンションで製造され、第３の放射器62は最大のデ
ィメンションで製造される。

【００２１】スロット82および84は長い側縁および狭い
端部を有する細長い形態でそれぞれ製造され、側部の長
さは端部の長さよりかなり長い。スロット82および84
は、内端が３つの放射器58、60および62の下方に延在
し、外端が放射器58、60および62のエッジを越えて延在
するようにそれぞれ位置される。放射器58、60および62
のエッジを越えて延在する各スロット82および84の一部
分はスロットの全長のほぼ１／４乃至１／３の範囲であ
る。各放射器58、60および62はそれらの各側が互いに平
行であるように方位付けられている。各スロット82およ
び84は、長い側縁が放射器58、60および62の各側に垂直
であり、各供給素子66および68の端部またはスタブに垂
直であるように方位付けられている。供給素子66および
68のスタブは、放射器58、60および62の各々をそれらの
共振周波数で励起するために放射器58、60および62の各
共振周波数でスロットを通して電磁パワーを結合するよ
うに各スロット82および84の下方に延在する。

【００２２】本発明の特徴は、供給素子64およびスロッ
ト装置80を使用することによって互いに関係なく放射器
58、60および62の励起により得られる。例えば、第３の
放射器62の共振周波数において別の放射器すなわち第１
および第２の放射器58および60は、第１および第２の放
射器58および60の存在の影響を受けずに第３の放射器62
を動作させるように電磁的動作に対して不活性であり透
過性である。同様に、第２の放射器60の共振周波数にお
いて電磁パワーは、第１および第３の放射器58および62
の存在の影響をほとんど受けずに放射のビームを生成す
るようにスロット装置80を介して供給素子64から第２の
放射器60に結合されることができる。同様のことは、第
１の放射器58における共振周波数でのスロット装置80を
介した供給素子64から第１の放射器58への放射結合に適
用される。第１の放射器58の放射パターンは本質的に別
の放射器60および62の存在と無関係である。

【００２３】図４のスロット82および84は、図１および
図２のスロット44および46と同じように機能する。しか
しながら、図４において、供給素子66および68のスタブ
端部によりスロット82および84を介して放射器装置56に
結合された信号の周波数は同じ周波数である。信号の位
相が90°異なる、90°位相関係の場合、この位相関係は
放射器装置56の放射器の任意の１つからの円偏波された
放射波の生成に適している。重要な状況において、各供
給素子66および68は複数の信号の１組を同時に搬送し、
その組の信号は３つの異なる周波数で放射器58、60およ
び62の共振周波数に対応する。それによって放射器装置
56は、各放射器58、60および62の信号の帯域幅が重なる
放射の広帯域ビーム、或は共振周波数が各周波数帯域が
重ならないように十分に離れている場合には３つの分離
した周波数帯域を生成することができる。

【００２４】供給素子66および68の信号の90°位相関係
はハイブリッド結合器70によって与えられる。例えば、
ハイブリッド結合器70の第１の入力ポート86は信号源88
に結合され、ハイブリッド結合器70の第２の入力ポート
90は整合された負荷92に結合される。信号源88はアンテ
ナ52によって放射されるべき結合器70に信号または信号
の組を供給し、整合負荷92は供給素子66および68のスタ
ブ端部94および96によってそれぞれ与えられる任意の反
射を受信する。これはハイブリッド結合器の良く知られ
た動作による。結合器70は、円偏波を発生させるために
供給素子66および68間における90°位相関係で均等にパ
ワーを分割する。結合器70が供給素子66および68間にお
いてパワーを不均等に分割するように構成されている場
合、楕円偏波がアンテナ52から放射される。

【００２５】図５は、図３および図４のハイブリッド結
合器70の詳細な平面図である。図５に示されるように、
結合器70は供給素子66および68のいずれかの幅より小さ
い幅をそれぞれ有する前方クロスアーム98および後方ク
ロスアーム100 を具備している。結合器70はさらに２つ
のサイドアーム102 および104 を具備し、サイドアーム
102 は入力ポート86と供給素子66との間に延在し、サイ
ドアーム104 は入力ポート90と供給素子68との間に延在
する。サイドアーム102 および104 はクロスアーム98お
よび100 によって結合される。サイドアーム102 および
104 は供給素子66および68のいずれかの幅より大きい幅
を有する。

【００２６】例えば、４ミル厚のアルミナのような特定
の誘電層を持つハイブリッド結合器70の構造において、
供給素子66および68の幅すなわち図５におけるディメン
ションＡはそれぞれ3.7 ミルに等しく、これは入力ポー
ト86および90の幅にも等しい。クロスアーム98および10
0 の幅すなわち図５におけるディメンションＢは1.6ミ
ルである。サイドアーム102 および104 の各幅すなわち
図５におけるディメンションＣは17.7ミルである。クロ
スアーム98および100 の長さは、サイドアーム98および
100 に沿って伝播する放射に特定の動作周波数で90°の
位相シフトを導入するように選択される。サイドアーム
およびクロスアームは、第１の誘電層72上に付着された
均一の厚さの金属のシートからフォトリソグラフによっ
て形成されるためそれぞれ同じ深さを有する。厚さは放
射周波数で少なくとも３スキン深度である。上記のディ
メンションは、４ミルの厚さを有する誘電スタブ上でマ
イクロストリップ結合器を形成せることによって得られ
る。25ミルの通常の厚さのような厚い誘電層が使用され
た場合、上記のハイブリッド結合器の素子の幅のディメ
ンションは25／4 のスケール係数で拡大される。クロス
アームとサイドアームの幅の差は、パワー中の所望のス
プリットを提供し、一方供給素子66および68を介して結
合器70から出力された信号に90°位相関係を与える入力
ポート86および90を伝播する電磁波に与えられるインピ
ーダンスの差を生じさせる。結合素子のディメンション
は良く知られているように他方の周波数で動作するよう
にスケールされる。

【００２７】図６はアンテナ52のスロット装置80がアン
テナ106 において単一スロット108と置換され、さらに
アンテナ52の供給素子64がアンテナ106 において単一の
マイクロストリップ供給導体110 と置換されることを除
き、図３および図４のアンテナ52と同じ素子を具備した
アドレス106 を示す。スロット108 は、アンテナ52のス
ロット84と同じディメンションを有する。スロット108
は突出された放射器58、60および62の共通の中心を中心
とし、スロット84に関して前に示されたものと同様に放
射器58、60および62を越えて延在する。スロット108 は
供給導体110 の端部領域すなわちスタブに垂直である。
図６における供給導体110 からスロット108 を介して放
射器装置56の放射器へのマイクロ波パワーの結合は図４
のスロット84に関して示されたものと同様に動作する。
図４のアンテナ52の動作に比較して図６のアンテナ96の
動作における主な相違は、アンテナ106 が直線偏波され
た放射を供給し、アンテナ52が円偏波された放射を供給
することである。図６のアンテナ106 から放射された電
磁パワーの共振周波数および帯域幅の選択は図４のアン
テナ52に対して示されたものと同様にして行われる。

【００２８】図７は、放射器114 として機能する上部導
体シートと、放射器114 と平行に配置された接地平面素
子116 として機能する下部導電シートと、放射器114 と
接地平面素子116 との間に隣接して配置された誘電性の
絶縁材料のスラブ118 とを具備したアンテナ112 を概略
的に示す。アンテナ112 は図１乃至図６に示された本発
明の種々の実施例の動作を説明するために設けられてい
る。スラブ118 は、図４の１つ以上の誘電層または図２
の単一の誘電層を表すため破線で示されている。放射器
114 を付勢する電磁パワーは、接地平面素子116 に配置
され、接地平面素子116 を完全に貫通して延在するスロ
ット120 および122 を介して結合された供給素子（図７
に示されていない）によって供給される。スロット120
および122 は互いに垂直に配置され、互いに間隔を隔て
られている。スロット120 および122 は、それぞれ図２
および図４のスロットの構造で前に示されたように放射
器114 の対応したエッジを越えて垂直に延在する。図７
において使用される供給素子は図２の供給素子48および
50または図４の供給素子66および68でもよい。１組の電
気ベクトルＥとして示された２つの一致した直交モード
の１つにおける電界分布はスラブ118 の表面上で重畳さ
れる。スラブ118 の遠い側に位置された電界ベクトルＥ
は破線の矢印で示され、一方スラブ118 の近い側の電界
ベクトＥは実線の矢印で示されている。図７のアンテナ
112 は接地平面素子116 の下に配置され上記の供給素子
を支持する誘電層（示されていない）として含まれてい
ることが認められる。

【００２９】図２のアンテナ20の動作を説明する図７の
アンテナ112 を使用するために、放射器114 は放射器24
を表し、スラブ118 は誘電層30を表し、接地平面素子11
6 は接地平面素子22を表し、スロット120 および122 は
スロット44および46を表すと仮定する。接地平面素子48
は図２のスロット44のように図７のスロット120 を励起
することが認められる。同様に、供給素子50は図２のス
ロット46のように図７のスロット122 を励起することが
認められる。

【００３０】供給素子50の電磁パワーによるスロット12
2 の励起の際に、スロット122 を横断して延在する電界
はベクトルＥによって表された共振電界を誘導し、ベク
トルＥは素子116 の接地平面から放射器114 のエッジに
垂直に延在する。放射器24を参照すると、電界は長い側
縁32に対して上方におよび長い側縁34から下方に延在す
る。短い側縁36および短い側縁38の左半分で電界は上方
に延在し、一方短い側縁36および短い側縁38の右半分で
電界は下方に延在する。長い側縁32および長い側縁34に
おける電界は均一の振幅である。短い側縁36および短い
側縁38における電界は実質的に正弦曲線に沿って振幅が
変化し、ピーク振幅は放射器24の隅40の付近で得られ、
短い側縁36および短い側縁38の中間点でゼロに減少し、
放射器24の反対の隅40でピーク値を得るように負の方向
に増加する。

【００３１】示されているように、上記の電界は放射器
24の動作の共振モードの周波数でスロット122 によって
供給される電磁パワーによって励起されている。この共
振モードにおいて、放射器の波長は放射器24の幾何学形
状並びにスラブ118 の厚さおよび誘電定数によって決定
される。スラブ118 内で測定されるように、１／２の波
長は短い側縁36の長さだけ延在する。

【００３２】本発明の特徴は、スロット122 がスロット
120 からの放射によって誘起された電界の強度における
ゼロに位置されることである。スロット120 の位置は放
射器24の長い側縁32の中心にあるため、スロット122 を
使用することによって電界を励起したときに電界のゼロ
がスロット120 の位置に現れる。これは、スロット120
の放射とスロット122 の放射との間に生じる結合がない
ことを保証する。さらに、これは２つのスロット120 お
よび122 が放射器114 と素子116 によって与えられる接
地との間に電界を分離して誘起するために互いに無関係
に動作されることができることを保証する。スロット12
0 の使用によって励起される放射の共振モードにおい
て、スラブ18の材料内で測定される１／２波長の放射は
長い側縁32の長さに等しい。したがって、上記に示され
たように放射器24の短い側縁と長い側縁との間の長さに
おける小さい差はスロット120 および122 の信号の帯域
幅が重なるため、結果的にアンテナ20または112 によっ
て放射される利用可能な信号スペクトルを拡大させる。
しかしながら、放射器24の短い側縁と長い側縁との間の
比較的大きい長さの差は放射の２つの分離周波数帯域を
提供するように２つの信号のスペクトルを分離する。

【００３３】図４のアンテナ52の動作に関して、図７の
アンテナ112 は図４の放射器装置56の放射器の１つを表
す放射器114 により使用される。例えば、アンテナ52の
動作を説明するために図７の放射器114 は図４の放射器
60を表し、スラブ118 は図４の誘電層74および76の両者
の複合的な厚さを表し、接地平面素子116 によって設け
られる接地は図４の平坦な接地平面素子54を表すと仮定
する。スロット82および84はスロット120 および122 に
動作的に対応する。

【００３４】図２のアンテナの動作の上記の説明は一般
に図４のアンテナ52の動作に適用される。したがって、
放射器60に関してスロット82または120 は図７に示され
るような電界分布を提供し、フィールドラインは接地平
面素子116 で始まり、放射器114 のエッジに延在し、こ
れは接地平面素子54から放射器60に延在する図４の電界
分布に対応する。

【００３５】本発明の特徴によると、スロット120 また
は82から電界分布を生成するこの説明において、放射器
58の存在が放射パターンおよび電界分布に顕著な影響を
与えないことが認められていることに留意すべきであ
る。したがって、上記に述べられたように、放射器58は
その共振周波数で放射によって励起されたときに支配的
であり、放射器60の電界の励起が放射器58の存在によっ
て明らかに影響されないという意味で放射器装置56の放
射器の別のものにおける共振周波数で生成された放射に
対して透過性であると考えられる。透過性の様子は本発
明の実験的なモデルにおいて観察される。共振モードの
周波数はスラブ118 の全体的な厚さに基づいており、こ
の場合それは放射器60と接地平面素子54との間に設けら
れた２つの誘電層74および76の合計の厚さに等しい。さ
らに、放射器60の上方の放射器62の存在はスロット82ま
たは120 を介して放射器60または114 を励起したときに
共振モードの周波数および電界分布に本質的に影響を及
ぼさないことが実験的に認められている。

【００３６】スロット82および84はスロットの他方によ
って与えられる電界分布のゼロに位置されるように放射
器60の側面の中間に位置されているため、スロット84を
介した放射器60の励起も同様である。したがって、２つ
の分離した電界分布は互いに無関係に減少されることが
できる。図４の実施例において、放射器は２つの共振モ
ードが同じ周波数であるように正方形である。上記にお
いて説明されたように、スロット82および84によって供
給された信号は、放射器60から放射する円偏波電磁波を
生成するように同位相の90°位相関係である。

【００３７】スロット82および84による放射器62または
放射器58の励起も同様である。これら２つの放射器62お
よび放射器58のいずれかの励起は、装置56の他方の放射
器のいずれの励起とも無関係に生じる。それによって、
３つの分離した周波数帯域で円偏波放射を得ることがで
きる。共振周波数が比較的近接している場合、アンテナ
52に特有の広い帯域幅の信号放射を提供するように分離
した信号のスペクトルは重なる。共振モードの周波数が
広く間隔を隔てられている場合、装置56の分離した放射
器によって放射された信号のスペクトルは重ならず、周
波数が分離した３つの信号スペクトルが図４のアンテナ
52から放射される。

【００３８】図６に示されたアンテナ106 の実施例を参
照すると、アンテナ素子間における幾何学的関係が図４
のアンテナ52と同じであることが認められる。図４の２
つのスロット82および84、或は図７の２つのスロット12
0 および122 の代わりに、図６のアンテナ106 は単一ス
ロット108 だけを有し、これは図７のスロット122 に対
応する。上記に示されるように、スロット108 は、スロ
ット84（図４）が供給素子68によって励起されたのと同
様にマイクロストリップ供給素子110 によって励起され
る。したがって、図７および図４を比較することによっ
て与えられる動作の説明は図６のアンテナ106 の動作に
も適用される。図４のアンテナ52と図６のアンテナ106
の動作の相違は、図７のスロット120 および122 の一方
だけが励起されるため、結果的に電界分布の一方だけが
生成される。したがって、アンテナ106 は複数の周波数
であるが、直線偏波だけで動作することができる。アン
テナ106 によって放射された信号の周波数帯域は分離さ
れても、或は広い帯域幅の放射特性を提供するように重
ねられてもよい。

【００３９】図８は、行および列の２次元アレイで配列
された複数のアンテナ素子126 を具備しているアレイア
ンテナ124 を示す。各アンテナ素子126 は図１および図
２のアンテナ20、図３および図４のアンテナ52、或は図
６のアンテナ106 の実施例にしたがって構成されてもよ
い。例えば、図３および図４のアンテナ52は各アンテナ
素子126 に対して使用される。素子126 の構成におい
て、図４の誘電層72、74、76および78並びに接地平面素
子54は図８のアンテナ素子126 全てにおいて共用され
る。図４のアンテナ52の上部において第３の放射器62は
各アンテナ素子126の上部に見られる。第２の放射器60
と第１の放射器58との隅の部分はアレイアンテナ124 の
切断部分において見られる。供給素子66および68も誘電
層および接地平面素子の切断部分を通して示されてい
る。アンテナ124 の別の切断部分に示された電気回路12
8 はフォトリソグラフ技術によって第１の誘電層72内に
構成され、回路128 はそれらの各供給素子66および68に
よって各アンテナ素子126 に結合される。例えば、回路
128 は以下説明するように、アンテナ素子126 から放射
される信号を供給するために増幅器および位相シフタを
具備している。その代りとして、電気回路128 は入来し
た信号を受信するために供給素子130 を介して各アンテ
ナ素子126 に接続された受信器を具備している。図４の
アンテナ52が素子126 として使用されているこの例にお
いて、各供給素子130 は素子66および68を含んでいるこ
とが認められる。図６のアンテナ106 が使用された場
合、供給素子130 は単一のマイクロストリップ供給導体
110 を含む。図２のアンテナ20が各アンテナ素子126 に
対して使用された場合、供給素子130 は供給素子26とし
て形成される。アレイアンテナ124 の切断部分はまた素
子126 の構成素子、特に第１および第２の放射器58およ
び60が誘電層74と76および誘電層76と78間の境界面にど
のように完全に内蔵されるかを示す。電気回路128 は、
アレイアンテナ124 の構成中のフォトリソグラフ法によ
って１つ以上の集積回路として形成されることができ
る。

【００４０】図９は電気回路128 の可能な構造を示し、
この構造は例に過ぎない。電気回路128 はアンテナ素子
126 のそれぞれの利得および位相を調節するために増幅
器および位相シフタだけを具備し、増幅器および位相シ
フタの制御回路はアレイアンテナ124 から離れて位置さ
れ、電気回路128 の集積回路素子として形成された増幅
器および位相シフタと離れた回路は適切に相互接続され
ていることが理解されるであろう。その代りとして、所
望ならば電気回路128 内において送信または受信システ
ムの付加的な素子を導入することができる。図９におい
て後者の選択が示されており、電気回路128 は信号発生
器132 、パワースプリッタ134 、１組の可変利得増幅器
136 、１組のデジタル制御位相シフタ138 、１組の送受
信（ＴＲ）回路140 、受信器142 、利得制御信号の蓄積
用の部分および位相制御信号の蓄積用の部分を含む読取
り専用メモリのようなメモリ144 、並びにアンテナ素子
126 によって発生させられた電磁ビーム148 を生成し走
査するようにメモリ144 をアドレスするアドレスユニッ
ト146 を含んでいる。ビーム148 は、発生器132 によっ
て供給された信号を送信する送信ビームまたは受信器14
2 による信号受信用の受信ビームであってもよい。

【００４１】動作において、ビーム148 による信号の送
信のために信号発生器132 は、パワースプリッタ134 に
よって分割され増幅器136 を介して各アンテナ素子126
の各供給素子130 に供給される電磁信号を発生する。増
幅器136 は位相シフタ138 およびＴＲ回路140 によって
各供給素子130 に結合される。増幅器136 は、素子126
のアレイから放射された電磁波に所望の振幅テーパーを
生成し、それによってビーム148 の良好な放射パターン
を形成するように種々のアンテナ素子126 の信号の利得
を調節するためにメモリ144 内に蓄積された利得制御信
号に応答する。位相シフタ138 は、ビーム148 を形成
し、素子126 のアレイに関して所望の方向にビームを操
縦するためにメモリ144 内に蓄積されたデジタル位相制
御信号に応答して動作する。アドレスユニット146 を動
作することによってメモリ144 は、ビーム148 を再形成
し操縦するために利得および位相制御信号の更新を行う
ために成功的にアドレスされることができる。ＴＲ回路
140 は、ビーム148 を介して信号を送信している間に受
信器142 の動作に影響を与えずに送信された信号を供給
素子130 に入力させるように良く知られた方法で動作す
る。ＴＲ回路140 はビーム148 によって受信された信号
を受信器142 に導くように動作する。受信器142 の素子
は図９に示されているが、素子は入来した信号の受信中
にビーム148 を形成し操縦するために回路128 の送信モ
ードに対して示されたような１組の位相シフタおよび１
組の増幅器を含むことが理解されるであろう。

【００４２】各アンテナ素子126 の構成に関して、各素
子の上部の放射器が例えば図４の放射器62のように正方
形として示されている。しかしながら、図４の供給素子
64は例えば図８のアンテナ素子126 において使用される
円形放射器（示されていない）のような異なる形状の放
射器によっても動作する。

【００４３】図４の誘電層74、76および78の厚さに関し
て、パッチ放射器と接地平面との間に大きい距離がアン
テナ52から放射された信号に対する帯域幅を増大させ
る。したがって、放射器装置56の上部における放射器62
は、アンテナ52から放射された信号に対して下方の放射
器60または58よりも大きい帯域幅を提供する。アレイア
ンテナ124 （図８）の素子126 としてアンテナ52を使用
することに関して、誘電層74、76および78は、誘電層に
沿って進行する表面波の発生を避けるために0.078 波長
より薄い厚さを有しているべきである。これらの表面波
は、ビーム148 の傾斜した走査角度（図９）での表面波
の速度が送信された波の速度と同じであり、その場合に
表面波への送信波からのパワーの結合が発生してアレイ
アンテナ124 から送信されたパワーの損失を生じさせる
ためアレイアンテナ124 において望ましくない。

【００４４】図４の誘電層74、76および78の材料は、商
品名デュロイドで市販されているガラスファイバおよび
テフロンの混合物のようなガラスファイバおよび重合フ
ッ化処理された炭化水素の混合物から構成される。例え
ば、誘電層の構造において上記のデュロイドを持つ構造
は結果的に 2.2の誘電定数を生じる。誘電材料の別の例
として、融着されたシリカは 3.8の誘電定数を生じ、ア
ルミナまたはヒ化ガリウムの使用はそれぞれ10.0または
12.8の誘電定数をもたらす。低い誘電定数を持つ誘電層
の使用は放射信号パワーを高める。したがって、接地平
面素子54と放射器60および68との間の空間だけでなく接
地平面素子54と放射素子58との間の空間において、デュ
ロイドまたは融着されたフッ化シリカを使用することが
好ましい。しかしながら、接地平面素子54の下に位置さ
れた誘電層72において、アルミナ特にヒ化ガリウムのよ
うな半導体回路の構造用基体として機能する材料を使用
することが好ましい。

【００４５】例えば図２および図４の放射器の構造にお
いて、放射器の側面はＣ結合放射に対してほぼ１／２イ
ンチと測定される。放射器の側面はスロット44、46、82
および84の１つの長さよりほぼ50％長い。装置56の放射
器のエッジの長さの差は典型的にほぼ１乃至２％であ
る。スロットの長さは典型的に自由空間波長のほぼ20％
より小さく、 0.178波長の値が使用されている。スロッ
トの幅は長さよりかなり狭く、長さ対幅の比はほぼ７：
１である。図４におけるスロット82および84に関する供
給素子66および68の端部の位置付けに関して、スタブ94
および96は自由空間波長のほぼ１／４の距離だけスロッ
トを越えて延在し、0.22波長の延在が本発明の実施例の
構造において使用されている。

【００４６】別の例において、図１乃至図６の種々の実
施例の誘電層の厚さの選択時に、7.0 ＧＨｚにおける25
ミルの厚さの融着されたシリカ誘電材料では、例えば図
２のアンテナ20に関して2.5 ％の帯域幅が得られる。別
の例では、誘電材料の厚さが50ミルに増加した場合に、
帯域幅は5.8 ％に増加する。75ミルの厚さでは、帯域幅
は10.3％である。100 ミルおよび125 ミルの厚さでは、
帯域幅はそれぞれ16.6％および25.4％である。

【００４７】図８における電気回路128 のような図９の
回路の内部構成に関して、回路128は第１の誘電層72内
に直接形成され、供給素子130 の物理的な寸法は層72の
誘電定数を高めることによって減少される得ることが示
されている。例えば、好ましい実施例において使用され
るヒ化ガリウムの場合、供給素子130 の物理的寸法を減
少する誘電定数は12.8の値を有し、誘電定数の平方根の
係数で空気を誘電体として使用する場合と比較すると、
寸法減少係数はほぼ3.6 である。

【００４８】図８の構造における別の特徴は、全てのア
ンテナ素子126 における接地平面素子54の延在部は、電
気回路128 内で発生された全ての電気雑音から各アンテ
ナ素子126 の放射器を効果的に遮断する。各アンテナ素
子126 の位置で接地平面素子54内にスロットが構成され
る開口結合の使用はまたアレイアンテナ124 の製造を容
易にする。

【００４９】本発明の上記の実施例は単なる説明に過ぎ
ず、当業者によりその修正が認識されることを理解すべ
きである。したがって、本発明はここに記載された実施
例に限定されず、添付された特許請求の範囲によっての
み限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの周波数帯域で動作するために供給素子に
放射器を結合する二重直交スロットを備えた長方形に成
形された放射器を有し、その一部分が内部素子を見せる
ために切取られているパッチアンテナ装置の上部側面
図。

【図２】図１のアンテナ装置の展開図。

【図３】誘電材料の層に埋設された複数の正方形パッチ
放射器を備え、帯域が広い帯域動作のために隣接してい
る複数の周波数帯域で円偏波を放射するハイブリッド結
合器を内蔵した二重直交スロットおよび供給構造を含
み、その一部分が内部素子を見せるために切取られてい
るアンテナ装置の上部側面図。

【図４】図３の装置の展開図。

【図５】図３の装置の供給構造の部分的に様式化されて
示されたハイブリッド結合器の拡大された斜視図。

【図６】供給素子から放射器にマイクロ波パワーを結合
する単一スロットを備えている別の装置に対する図４の
展開図と類似の展開図。

【図７】図１および図３の装置のいずれかのためにパッ
チ放射器と接地との間において発達させられる２つの同
時的な直交するモードの一方における電界の概略図。

【図８】誘電層内に埋設された素子を見易くするために
部分的に切取られている、本発明を含むアンテナ装置か
ら構成されたフェイズドアレイアンテナシステムの様式
化された斜視図。

【図９】放射のビームを発達させて走査するために図８
のシステムに接続されたビーム発生および操縦回路のブ
ロック図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エー・ウィット アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90278、レドンド・ビーチ、ハークネ ス・レーン 512 (56)参考文献 特開 平１−208003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−156904（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接地平面素子と、 前記接地平面素子の両側に設けられた第１の誘電層およ
   び第２の誘電層と、 複数の周波数でアンテナに信号を供給するために前記第
   １の誘電層の前記接地平面素子と反対側に設けられた供
   給手段と、 前記接地平面素子と反対側の前記第２の誘電層の表面上
   に設けられたパッチ放射器手段と、 前記供給手段と一致して前記接地平面素子中に設けられ
   たスロット手段とを具備しているマイクロストリップパ
   ッチアンテナにおいて、 前記パッチ放射器手段は前記複数の周波数のそれぞれで
   共振し、前記放射器手段が前記複数の周波数のそれぞれ
   の放射に対する前記アンテナの共通の放射開口を提供
   し、第１の１対の対向した側縁および第２の１対の対向
   した側縁を有し、第１の１対の側縁が前記第２の１対の
   側縁より長い単一の長方形パッチ放射器を具備し、 前記スロット手段は、１対のスロットを具備し、それら
   １対のスロットは前記複数の周波数で前記パッチ放射器
   手段を励起するために放射を結合するためにそれら１対
   のスロットの第１のものが前記第１の対の側縁の一側で
   前記放射器のエッジを越えて部分的に延在するように配
   置され、前記スロットの第２のものが前記第２の対の側
   縁の一側で前記放射器のエッジを越えて部分的に延在す
   るように配置されているパッチアンテナ。
2. 【請求項２】 前記供給手段はそれぞれがマイクロスト
   リップ導電素子である２つの分離した絶縁マイクロスト
   リップ供給素子を具備し、それら供給素子の第１のもの
   は前記第１のスロットを横断して延在し、前記供給素子
   の第２のものは前記第２のスロットを横断して延在し、
   前記スロットの対のスロットは互いに関して直交するよ
   うに位置され、 前記第１および第２の供給素子はそれぞれ異なる偏波お
   よび異なる周波数で互いに無関係に前記放射器からの第
   １および第２の放射を励起するように低い周波数および
   高い周波数で前記信号を供給する請求項１記載のアンテ
   ナ。
3. 【請求項３】 複数のアンテナ素子および共通の接地平
   面素子を具備し、 前記アンテナ素子がそれぞれ前記接地平面素子上に配置
   されているアレイアンテナにおいて、 前記アンテナ素子はそれぞれ、 前記接地平面素子の両側に配置された第１の誘電層およ
   び第２の誘電層と、 前記アンテナに複数の周波数で信号を供給するために前
   記第１の誘電層の前記接地平面素子と反対側に配置され
   た供給手段と、 前記接地平面素子と反対側の前記第２の誘電層の表面上
   に配置され、前記複数の周波数のそれぞれで共振し、前
   記複数の周波数のそれぞれにおける放射用の前記アンテ
   ナの共通の放射開口を提供するパッチ放射器手段と、 前記供給手段と一致して前記接地平面素子中に配置さ
   れ、その一部が前記複数の周波数で前記放射器手段を励
   起する放射を結合するスロット手段とを具備しており、 前記アレイアンテナはさらに前記第１の誘電層内に形成
   され、前記アレイアンテナから放射のビームを発生する
   ために前記アンテナ素子のそれぞれにおいて前記供給手
   段に結合された駆動回路を具備しており、 前記アンテナ素子のそれぞれにおいて、前記パッチ放射
   器手段は第１の１対の対向した側縁および第２の１対の
   対向した側縁を有し、前記第１の１対の側縁が前記第２
   の１対の側縁より長い単一の長方形のパッチ放射器を具
   備し、 前記スロット手段が１対のスロットを具備し、前記１対
   のスロットの第１のものが前記第１の１対の側縁の一側
   で前記放射器のエッジを越えて部分的に延在するように
   配置され、前記スロットの第２のものが前記第２の１対
   の側縁の一側で前記放射器のエッジを越えて部分的に延
   在するように配置されているアレイアンテナ。
4. 【請求項４】 前記アンテナ素子のそれぞれにおいて、 前記供給手段はそれぞれがマイクロストリップ導電素子
   である２つの分離した絶縁供給素子を具備し、前記供給
   素子の第１のものは前記第１のスロットを横断して延在
   し、前記供給素子の第２のものは前記第２のスロットを
   横断して延在し、前記スロットの対のスロットは互いに
   直交するように位置され、 前記第１および前記第２の供給素子はそれぞれ異なる偏
   波および異なる周波数で互いに無関係に前記放射器から
   の第１および第２の放射を励起するために低い周波数お
   よび高い周波数で前記信号を供給する請求項３記載のア
   レイアンテナ。